名称：一种同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置
专利号：202610445801.1
专利权人：孙高平
技术领域
本发明涉及机械传动与电能转换技术领域，具体涉及一种同轴电磁耦合无级减速与定子反扭矩发电一体化驱动装置。
背景技术
现有传动系统普遍存在结构复杂、调速范围有限、扭矩放大能力不足、能量无法回收、传动效率低、磨损大、维护成本高等问题。传统减速器、变速箱、液力变矩器及单级减速电驱动桥均无法同时实现无级调速、大扭矩放大、实时发电与双向独立控制，难以满足下一代高效、节能、高动力密度传动系统需求。
发明内容
本发明旨在克服上述缺陷，提供一种同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置，以同轴电磁耦合器为核心部件，整体采用单根中心主轴同轴贯穿结构，实现无级变速、扭矩放大、动力输出与感应发电一体化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置，包括中心主轴、动力输入机构、同轴电磁耦合器与动力输出机构，整体为同轴布局，采用前后轴向分体式结构，动力输入机构与同轴电磁耦合器通过中心主轴同轴刚性连接；同轴电磁耦合器转动设在外壳内，同轴电磁耦合器包括转子和输出定子，转子采用磁性结构，输出定子采用线圈绕组，动力输入机构驱动同轴电磁耦合器内的转子转动，转动的转子磁场切割输出定子线圈，输出定子产生感应电动势，实现输出定子的感应发电，与此同时输出定子上产生阻碍转子与输出定子相对转动的安培力，安培力驱动输出定子与转子同向转动，输出定子将其转动传输至动力输出机构，在动力传递路径中实现转速逐级递减、扭矩同步放大，达成高效发电与大扭矩低速输出的协同目标；
转子与动力输入机构通过中心主轴固定连接、同步旋转，通过转子与输出定子的转速差实现、自动扭矩放大与感应发电，通过调节转子的外接的负载大小或动力输入机构的转速大小实现输出定子的无级调速。
通过采用上述技术方案，动力输入机构具体设置为驱动电机，驱动电机的输出端与中心主轴同轴固定连接，转子同轴固定套设在中心主轴上，驱动电机通过中心主轴带动转子转动，为转子提供旋转动力输入，驱动电机的转速可独立调节，为整个系统提供基础动力源；
同轴电磁耦合器与中心主轴同轴设置，转子、输出定子由内而外同轴设置，转子、输出定子均转动设在外壳内，中心主轴将驱动电机输出端的转动等角速度传递至转子，带动转子转动，转子磁场转动切割输出定子的线圈绕组，进而输出定子上产生感应电动势，在输出定子上产生感应电流，以达到发电实现电能回收的技术效果；
与此同时，通过电流的输出定子在转子形成的磁场环境内作切割磁感线的转动，会产生一个阻碍输出定子相对转子转动的安培力，该安培力带动输出定子与转子同向转动，在动力传递路径中实现转速逐级递减、扭矩同步放大，达成高效发电与大扭矩低速输出的协同目标，同时该安培力的反作用力作用在转子上使得驱动电机输出端、中心主轴及转子的转速降低；
在上述过程中，转子的转速逐渐降低、输出定子之间的转速逐渐升高；输出定子上的感应电动势及输出电流随转速差一起减小，转子减速的加速度、输出定子加速的加速度大小均逐渐减小，直至转子与输出定子间的转动差形成安培力恰好可以带动输出定子以某一固定转速转动，至此转子与输出定子的速度不再发生变化，此时转子与输出定子各自以稳定的速度转动，平稳实现转子的发电与输出定子的动力输出；
与之对应的，通过调整驱动电机输出端的转速调整输出定子输出的电流大小时，作用在输出定子上的安培力、作用在转子上的安培力的反作用力对应增大或减小，进而实现对于输出定子速度大小的无级调控，增大输出电流大小，则输出定子的转速对应增大，实现输出轴转速从0到输入最高转速的连续无级变化。
当输出定子外接的负载增大的瞬间，输出定子上的电流变小，作用在输出定子上的安培力减小，转子的转速增大，转速差增大，安培力增大，随后输出定子的转速升高，最终达到新的平衡，感应电动势升高，发电量增大，输出定子转速升高，动力输出增大；
本发明可以通过调节驱动电机转速大小和发电负载大小两个方面实现对与发电量、输出动力大小的调控。
输出定子采用旋转式结构，旋转的输出子产生的电能通过同轴磁环/导电环无接触引出，避免传统滑环磨损、打火、接触不良问题；磁环引电单元实现旋转件与固定件之间的稳定电能传输，保证高速、重载、长时间工作可靠性；
本发明进一步设置为：还包括混合动力连接机构，混合动力连接机构位于动力输入机构前端，通过单向超越离合器与动力输入机构相连，实现纯电动、混合动力双模式切换；纯电模式下中心主轴分离，发动机不随转。
通过采用上述技术方案，发动机通过单向超越离合器与驱动电机连接，发动机动力经单向超越离合器单向传递至动力耦合机构，仅在发动机驱动时介入工作；当系统切换至纯电驱动或减速工况时，离合器自动分离，发动机与动力输出端解耦，避免反拖损耗，同时保证电机独立驱动的平顺性与高效性。该结构实现了发动机与电机动力的柔性耦合、无冲击切换，为整车混动系统提供稳定、高效的动力分配与传动保障；
本发明进一步设置为：输出定子产生的回收电能可通过电磁感应无接触导出，或通过碳刷滑环导出，由生产工艺自由选择。
通过采用上述技术方案，实际使用过程中输出定子产生的回收电能可通过电磁感应无接触导出，或通过碳刷滑环导出，由生产工艺自由选择，不依赖单一技术；
对于追求长寿命、高可靠性的产品，可以选无接触式，可以避免了后期频繁停机维护的隐形成本；对于成本敏感的民用产品，碳刷滑环是成熟且低成本的选择，即使需要定期更换，整体生命周期成本也可能更低；即便某种滑环材料短缺，或者某种无线输电技术遇到瓶颈，也可以迅速切换方案，保证生产不受影响。
本发明进一步设置为：动力输入机构采用可适配各类驱动电机的通用动力接口。
通过采用上述技术方案，不需要针对每一种电机都重新设计一套外壳和连接结构，可以依据实际需求，匹配不同型号的电机，当仅有电机部分需要更换时，更换对应部位就好，无需更换整套设备，适应性强。
本发明进一步设置为：转子通过法兰盘输出转动动力，法兰盘同轴转动套设在中心主轴上。
通过采用上述技术方案，法兰盘通过轴承套设在中心主轴上，输出定子与中心主轴在机械上是解耦的，输出定子可以以完全不同的转速旋转，这是实现转子与输出定子之间的转速差和输出定子的无级变速的前提。
本发明进一步设置为：同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置整体采用封闭式外壳与层间气隙散热结构。
通过采用上述技术方案，可以达到提高散热效率的效果，层间气隙作为内置的风道，使得冷却空气可以直接流经这些发热最严重的区域，实现实时冷却散热，而不是等热量传到外壳再被动散发；每一层的筒壁都是散热面。通过多层之间的环形间隙，冷却介质可以同时与内外两层筒壁接触，单位体积内的换热面积远大于实体结构，提高散热效率；并且气流在环形间隙中流动，能够均匀地带走圆周方向的热量，避免了传统电机因冷却不均匀导致的局部热点，从而保护绝缘材料，延长绕组寿命。
本发明的有益效果是：
1. 以同轴电磁耦合器为核心，真正实现无齿轮、无级变速、扭矩放大、发电一体化：本装置核心是一个多层同轴嵌套的电磁耦合结构，利用内、外层转子之间的转速差，通过电磁场直接传递转矩；取代了传统机械齿轮，因此没有齿面磨损和润滑需求。通过连续调节内外转子的电磁耦合强度（改变励磁电流），可实现传动比的无级平滑变化，既能在低速时放大扭矩用于重载起步，又能在高速时保持高效。同时，外层转子在输出动力的过程中，因磁场变化自然感应出电能，实现驱动与发电的一体化集成，无需额外加装发电机。
2. 支持纯电动与混合动力双模式，通过单向器连接发动机，适配全场景动力需求：中心主轴前端通过一个单向超越离合器与发动机相连；纯电模式下，电机驱动主轴旋转，此时主轴转速高于发动机侧，单向器自动脱开，发动机完全静止，避免额外损耗；当需要发动机介入时，发动机转速超过主轴转速，单向器立即结合，实现油电混合驱动。
3. 电能回收可选用电磁感应取电或碳刷滑环取电，生产制造灵活，不限制工艺外层输出定子产生的回收电能可通过两种方式导出：电磁感应取电利用固定在壳体上的感应线圈，通过电磁耦合无接触地获取电能，完全免维护，适合高速、封闭、防爆等场景；碳刷滑环取电则通过传统的接触式导电，结构简单、成本低、传输效率高，适用于对维护周期不敏感的大电流工况，实际使用过程中可根据产品定位、成本预算及目标市场自由选择，无需改变主体设计，极大提升了生产灵活性。
4. 无机械齿轮、无摩擦损耗，免维护、寿命长、噪音低、可靠性极高：由于动力传递完全依靠电磁场，没有任何齿轮啮合或摩擦部件，因此不存在机械磨损和润滑油劣化问题。这不仅实现了终身免维护，还从根本上消除了齿轮啮合噪音和振动，运行极为安静。电磁耦合器本身为非接触式，没有疲劳寿命限制，整机可靠性远高于传统变速箱，特别适用于高可靠性要求的军用、航天及无人装备。
5. 中心主轴输出收拢结构紧凑，同轴度高，运行平稳：转子通过端部法兰盘收拢至中心主轴，但法兰盘与主轴之间采用轴承支撑，实现同轴不同速，这种设计使最外层的大扭矩动力能汇聚到中心输出，且所有旋转部件共用同一根主轴作为基准，保证了极高的同轴度和运转平稳性。
6. 散热风道设计合理，重载能力强：多层套筒之间的环形间隙自然形成冷却风道，端部法兰可制成风扇形状，随旋转自动产生气流，强制对流带走热量。这种自扇冷结构无需外部风扇或水泵，却能高效冷却最内层的发热绕组。良好的散热性能保证了装置在长时间重载工况下磁密不衰减、绝缘不老化，因此能胜任矿山机械、坦克装甲、重型卡车等极端负荷场景。
7. 动力输入通用化，可适配各类电机与发动机，通用性强、应用范围广：装置的输入接口设计为标准法兰或轴伸，可与市面上绝大多数驱动电机以及内燃机直接对接，这种通用接口使该装置成为一个独立的“动力增强与变速模块”，用户只需更换前端的动力源，就能实现不同的性能组合。无论是纯电乘用车、混合动力卡车，还是工业传动系统，均可即插即用，极大拓宽了其应用领域，降低了系统集成难度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明整体结构示意图。
图2是本发明同轴磁环无接触引电单元剖面图。
图中，1、中心主轴；2、动力输入机构；3、外壳；4、转子；5、输出定子；6、发动机；7、单向超越离合器；8、碳刷滑环；9、法兰盘。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本装置安装于动力源与负载之间，驱动电机通电旋转，电磁耦合器传递动力，反扭矩推动发电单元工作；控制器通过调节驱动电机转速实现一级调速，通过调节发电负载实现二级无级调速；转子4转速越低，扭矩放大倍数越高；旋转定子产生的电能通过同轴磁环无接触引出，可储存、可回馈、可直接利用；整套装置实现无级变速、无级扭矩放大、实时发电、双向独立控制、无接触引电一体化工作.
本发明的具体结构：
一种同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置，包括中心主轴1、动力输入机构2、同轴电磁耦合器与动力输出机构，整体为同轴布局，采用前后轴向分体式结构，动力输入机构2与同轴电磁耦合器通过中心主轴1同轴刚性连接；同轴电磁耦合器转动设在外壳3内，同轴电磁耦合器包括转子4和输出定子5，转子4采用磁性结构，输出定子5采用线圈绕组，动力输入机构2驱动同轴电磁耦合器内的转子4转动，转动的转子4磁场切割输出定子5线圈，输出定子5产生感应电动势，实现输出定子5的感应发电，与此同时输出定子5上产生阻碍转子4与输出定子5相对转动的安培力，安培力驱动输出定子5与转子4同向转动，输出定子5将其转动传输至动力输出机构，在动力传递路径中实现转速逐级递减、扭矩同步放大，达成高效发电与大扭矩低速输出的协同目标；
进一步，还包括混合动力连接机构，混合动力连接机构位于动力输入机构2前端，通过单向超越离合器7与中心主轴1相连，实现纯电动、混合动力双模式切换；纯电模式下单向器分离，发动机6不随转。
进一步，转子4与动力输入机构2通过中心主轴1固定连接、同步旋转，通过转子4与输出定子5的转速差实现、自动扭矩放大与感应发电，通过调节转子4的发电电流大小或动力输入机构2的转速大小实现输出定子5的无级调速。
进一步，输出定子5产生的回收电能可通过电磁感应无接触导出，或通过碳刷滑环8导出，由生产工艺自由选择。
进一步，动力输入机构2采用可适配各类驱动电机的通用动力接口，不需要针对每一种电机都重新设计一套外壳3和连接结构，可以依据实际需求，匹配不同型号的电机。
进一步，转子4通过法兰盘9输出转动动力，法兰盘9同轴转动套设在中心主轴1上，法兰盘9通过轴承套设在中心主轴1上，输出定子5与中心主轴1在机械上是解耦的，输出定子5可以以完全不同的转速旋转。
进一步，同轴电磁耦合无级变速扭矩放大驱动发电装置整体采用封闭式外壳3与层间气隙散热结构，层间气隙作为内置的风道，使得冷却空气可以直接流经这些发热最严重的区域，实现实时冷却散热，而不是等热量传到外壳3再被动散发。
本发明的工作过程：
驱动电机输出端与中心主轴1同轴固定连接，转子4同轴固定套设在中心主轴1上，驱动电机通过中心主轴1带动转子4转动，为转子4提供旋转动力输入，驱动电机的转速可独立调节，为整个系统提供基础动力源；
同轴电磁耦合器与中心主轴1同轴设置，转子4、输出定子5由内而外同轴设置，转子4、输出定子5均转动设在外壳3内，中心主轴1将驱动电机输出端的转动等角速度传递至转子4，带动转子4转动，转子4磁场转动切割输出定子5的线圈绕组，进而输出定子5上产生感应电动势，在输出定子5上产生感应电流，以达到发电实现电能回收的技术效果；
与此同时，通过电流的输出定子5在转子4形成的磁场环境内作切割磁感线的转动，会产生一个阻碍输出定子5相对转子4转动的安培力，该安培力带动输出定子5与转子4同向转动，在动力传递路径中实现转速逐级递减、扭矩同步放大，达成高效发电与大扭矩低速输出的协同目标，同时该安培力的反作用力作用在转子4上使得驱动电机输出端、中心主轴1及转子4的转速降低。
在上述过程中，转子4的转速逐渐降低、输出定子5之间的转速逐渐升高；输出定子5上的感应电动势及输出电流随转速差一起减小，转子4减速的加速度、输出定子5加速的加速度大小均逐渐减小，直至转子4与输出定子5间的转动差形成安培力的反作用力恰好可以带动输出定子5以某一固定转速转动，至此转子4与输出定子5的速度不再发生变化，此时转子4与输出定子5各自以稳定的速度转动，平稳实现转子4的发电与输出定子5的动力输出；
与之对应的，通过调整驱动电机转子4的转速调整输出定子5的电流大小时，作用在输出定子5上的安培力、作用在转子4上的安培力的反作用力对应增大或减小，进而实现对于输出定子5速度大小的无级调控，增大输出电流大小，则输出定子5的转速对应增大，实现输出轴转速从0到输入最高转速的连续无级变化。
当输出定子5外接的负载增大的瞬间，输出定子5上的电流变小，作用在输出定子5上的安培力减小，转子4的转速增大，转速差增大，随后安培力、安培力的反作用力增大，随后输出定子5的转速升高，最终达到新的平衡，感应电动势升高，发电量增大，输出定子5转速升高，动力输出增大。
输出定子5采用旋转式结构，旋转的输出子产生的电能通过同轴磁环/导电环无接触引出，避免传统滑环磨损、打火、接触不良问题；磁环引电单元实现旋转件与固定件之间的稳定电能传输，保证高速、重载、长时间工作可靠性；
本发明可以通过调节驱动电机转速大小和发电负载大小两个方面实现对与发电量、输出动力大小的调控。
上述过程中对于转子4的驱动可以包括由纯电驱动模式和混合动力驱动模式实现：
纯电驱动模式：动力输入装置带动中心主轴1旋转，同轴电磁耦合器内转子4同步运转；内转子4与外耦合部件形成磁场转速差，实现无级变速、扭矩放大，并产生感应电能；电能通过感应取电或碳刷滑环8取电回收，外部电源仅补充系统损耗。
混合动力驱动模式：发动机6通过单向器接入动力输入端，与动力输入装置协同驱动；单向器实现自动离合，发动机6可参与驱动或独立发电，满足重载、加速、补能等多场景需求；纯电模式下自动断开发动机6，无空转阻力，不消耗电能。
本发明的控制方式是通过控制器来自动控制，控制器的控制电路通过本领域的技术人员简单编程即可实现，电源的提供也属于本领域的公知常识，并且本发明主要用来保护机械装置，所以本发明不再详细解释控制方式和电路连接。
本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。
